2つ以上の元素からなる混合物または金属固溶体
その他の用法については、「合金 (曖昧さ回避)」を参照してください。

左から右へ: 3 つの合金 (ベリリウム銅、インコネル、鋼) と 3 つの純金属(チタン、アルミニウム、マグネシウム)

合金とは、化学元素の混合物であり、ほとんどの場合、少なくとも1つは金属元素を含みますが、元素の混合物を指す場合もあります。ここでは金属合金についてのみ説明します。金属合金は、多くの場合、その原料となる純元素とは異なる特性を持ちます。商業目的で使用される金属の大部分は、強度、硬度、耐食性の向上など、特性や挙動を改善するために合金化されています。また、金と銅の合金のように、金属は全体的なコストを削減するために合金化されることもあります。

合金では、原子は化合物で一般的に見られる共有結合ではなく、金属結合によって結合しています。 [ 1 ]合金の成分は、実用的には質量百分率で測定され、基礎科学研究では原子分率で測定されるのが一般的です。合金は、合金を形成する原子の配置によって、通常、置換型合金または格子間型合金に分類されます。合金はさらに、均質（単一の相からなる）、不均質（2つ以上の相からなる）、または金属間化合物に分類できます。合金は、金属元素の固溶体（すべての金属粒子（結晶）が同じ組成の単一の相）または金属相の混合物（2つ以上の溶液、金属内に異なる結晶の 微細構造を形成）の場合があります。

合金の例としては、レッドゴールド（金と銅）、ホワイトゴールド（金と銀）、スターリングシルバー（銀と銅）、鋼またはシリコン鋼（それぞれ鉄と非金属炭素またはシリコン）、はんだ、真鍮、ピューター、ジュラルミン、青銅、アマルガムなどが挙げられます。合金は、建物から自動車、外科用器具に至るまであらゆるものに使用される鋼合金から、航空宇宙産業で使用される特殊なチタン合金、非発火工具用のベリリウム銅合金まで、幅広い用途に使用されています。

特徴

鋳造中に鋳型に流し込まれる液体青銅

合金とは、化学元素の混合物であり、金属の特性を保持した不純な物質（混和物）を形成する。合金は2つ以上の元素を混合することによって作られ、そのうち少なくとも1つは金属である。これは通常、主金属または卑金属と呼ばれ、この金属の名称が合金の名称となることもある。その他の成分は金属である場合もそうでない場合もあるが、溶融した卑金属と混合されると溶解し、混合物に溶解する。[ 2 ]

合金の機械的特性は、個々の成分の特性と大きく異なることがよくあります。アルミニウムなど、通常は非常に柔らかい (展性) 金属は、銅などの別の柔らかい金属と合金にすることで変えることができます。どちらの金属も非常に柔らかく延性がありますが、結果として得られるアルミニウム銅合金ははるかに高い強度を持ちます。[ 3 ]鉄に少量の非金属炭素を加えると、その優れた延性が鋼と呼ばれる合金の強度と引き換えに得られます。非常に高い強度を持ちながらも靭性もかなり高く、熱処理によって大きく変化できることから、鋼は現代の用途で最も有用かつ一般的な合金の 1 つです。鋼にクロムを加えると耐食性が向上し、ステンレス鋼が生成されます。[ 4 ]一方、シリコンを加えると電気特性が変わり、シリコン鋼が生成されます。[ 5 ]

真鍮のランプ

油と水のように、溶融金属は必ずしも他の元素と混ざり合うとは限りません。例えば、リチウム、マグネシウム、銀は純鉄とはほとんど溶けません。[ 6 ]たとえ溶解する場合でも、通常は飽和点があり、それ以上添加することはできません。例えば、鉄は最大6.67%の炭素を安定して保持することができ、セメンタイトと呼ばれる化合物を形成します。[ 7 ]

合金の元素は通常、液体状態では溶解する性質を持つが、固体状態では必ずしも溶解するわけではない。金属が固体状態でも溶解性を維持する場合、合金は固溶体を形成し、同一の結晶からなる均質な構造となり、相と呼ばれる。[ 8 ]混合物が冷却するにつれて成分が不溶性になると、それらは分離して2種類以上の異なる結晶を形成し、相の異なる不均質な微細構造を形成する。相によっては、ある成分が他の成分よりも多く含まれる場合がある。しかし、他の合金では、不溶性元素は結晶化が起こるまで分離しない場合がある。非常に急速に冷却すると、まず均質な相として結晶化するが、二次的な成分で過飽和状態となる。時間が経つにつれて、これらの過飽和合金の原子は結晶格子から分離し、より安定して、結晶を内部的に強化する役割を果たす第2の相を形成する。[ 9 ]

インコネル製のゲートバルブ

銀と金の合金であるエレクトラムなどの合金は自然界に存在します。[ 10 ]隕石は鉄とニッケルの自然界の合金でできていることもありますが、地球本来のものではありません。[ 11 ]人類が作った最初の合金の一つは青銅で、スズと銅の混合物です。青銅はどちらの成分よりもはるかに強くて硬いため、古代人にとって非常に便利な合金でした。[ 12 ]鋼鉄も一般的な合金でした。しかし、古代では、鉄を製造する際に鉄鉱石を火で加熱する（製錬）ことで偶然副産物としてしか作ることができませんでした。[ 13 ]その他の古代の合金にはピューター[ 14 ]、真鍮[ 15 ]、銑鉄などがあります。[ 16 ]

現代では、鋼は様々な形で作られる。炭素鋼は炭素含有量のみを変えることで作られ、軟鋼のような柔らかい合金や、ばね鋼のような硬い合金が作られる。合金鋼はクロム、モリブデン、バナジウム、ニッケルなどの他の元素を加えることで作られ、高速度鋼や工具鋼などの合金になる。現代の鋼のほとんどには、リン、硫黄、酸素など、合金に有害な影響を与える可能性のある不要な不純物を除去するマンガンが少量添加されているのが一般的である。 [ 17 ]しかし、アルミニウム、チタン、ニッケル、マグネシウムの各種合金など、ほとんどの合金は1900年代まで作られなかった。[ 18 ]インコロイ、インコネル、ハステロイなどの現代の超合金の中には、多数の異なる元素で構成されているものがある。[ 19 ]

合金は技術的には不純な金属ですが、合金を指す場合、「不純物」という用語は通常、望ましくない元素を指します。このような不純物は、母材金属や合金元素から混入しますが、加工処理中に除去されます。例えば、硫黄は鋼鉄によく含まれる不純物です。硫黄は鉄と容易に結合して硫化鉄を形成し、非常に脆いため、鋼鉄に脆い部分を作ります。[ 20 ] リチウム、ナトリウム、カルシウムはアルミニウム合金によく含まれる不純物で、鋳物の構造的完全性に悪影響を及ぼす可能性があります。逆に、純粋な金属であっても望ましくない不純物を含むものは「不純金属」と呼ばれることが多く、通常は合金とは呼ばれません。鋳鉄や錬鉄などの不純金属は規制が緩いものの、有用であると考えられることが多いです。[ 21 ]

空気中に存在する酸素は、ほとんどの金属と容易に結合して金属酸化物を形成します。特に合金化時の高温下では顕著です。合金の種類によっては、最終的に製造部品の故障につながる可能性があります。[ 22 ]合金化プロセスでは、フラックス、化学添加剤、その他の抽出冶金法を用いて、過剰な不純物を除去するために細心の注意が払われることがよくあります。[ 23 ]

理論

金属の合金化は、1つ以上の他の元素と組み合わせることによって行われます。最も一般的で古い合金化プロセスは、母材金属を融点以上に加熱し、溶質を溶融液に溶解させることによって行われます。これは、溶質の融点が母材の融点よりもはるかに高い場合でも可能です。例えば、液体状態のチタンは、ほとんどの金属や元素を溶解できる非常に強力な溶媒です。さらに、チタンは酸素などのガスを容易に吸収し、窒素の存在下では燃焼します。そのため、接触面からの汚染の可能性が高くなるため、真空誘導加熱と特殊な水冷式銅るつぼで溶解する必要があります。[ 24 ]

立方晶格子を通る格子間拡散

炭素の融点は非常に高く、高気圧下でのみ融点が下がるため[ 25 ]、古代文明では液体の溶質として鉄と化合することは不可能でした。しかし、合金化（特に格子間合金化）は、高炉で銑鉄を製造する場合（液体-ガス）、窒化、浸炭窒化またはその他の表面硬化（固体-ガス）[ 26 ] 、またはブリスター鋼を製造するために使用されるセメンテーションプロセス（固体-ガス）で見られるように、1つまたは複数の成分を気体状態で行うことは可能です。 [ 27 ]また、パターン溶接（固体-固体）、せん断鋼（固体-固体）、るつぼ鋼製造（固体-液体）などの古代の方法に見られるように、1つ、複数、またはすべての成分を固体状態で行うこともでき、固体拡散によって元素を混合します。[ 28 ]

金属に別の元素を加えると、原子のサイズの違いによって金属結晶の格子に内部応力が生じ、その応力によって多くの場合金属の特性が向上する。例えば、炭素と錬鉄を組み合わせると鋼が生成され、これは主元素である鉄よりも強度が高い。[ 29 ]合金の電気伝導率と熱伝導率は、通常、純金属よりも低い。[要出典]合金の密度、反応性、ヤング率などの物理的特性は、基本元素と大きく変わらないかもしれないが、引張強度、[ 30 ]延性、せん断強度などの工学的特性は、構成材料と大幅に異なる場合がある。これは、合金中の原子のサイズの結果である場合があり、大きな原子は隣接する原子に圧縮力を及ぼし、小さな原子は隣接する原子に引張力を及ぼし、[ 31 ]合金が変形に抵抗するのに役立つためである。ときには、1 つの元素が少量含まれているだけでも、合金の挙動に顕著な違いが見られることがある。例えば、半導体強磁性合金中の不純物は、ホワイト、ホーガン、ズール、ティアン・アブリー、ナカムラによって最初に予測されたように、異なる特性をもたらします。[ 32 ] [ 33 ]

純金属とは異なり、ほとんどの合金は単一の融点を持つのではなく、物質が固体と液体の混合物（スラッシュ）となる融点範囲を持つ。融解が始まる温度は固相線と呼ばれ、融解がちょうど完了する温度は液相線と呼ばれる。[ 34 ]多くの合金には、共晶混合物または包晶組成と呼ばれる特定の合金組成（場合によっては複数）があり、これにより合金は独特で低い融点を持ち、液体/固体スラッシュ転移は起こらない。[ 35 ] [ 36 ]

熱処理

鉄の同素体（アルファ鉄とガンマ鉄）は原子配列の違いを示しています
鋼の顕微鏡写真。上の写真：焼きなまし（ゆっくり冷却）された鋼は、セメンタイト（明るい色）とフェライト（暗い色）の相からなるパーライトと呼ばれる不均質な層状の微細組織を形成します。下の写真：焼き入れ（急速冷却）された鋼は、マルテンサイトと呼ばれる単相を形成します。このマルテンサイト相では、炭素が結晶内に閉じ込められたままになり、内部応力が生じます。

合金元素は母材金属に添加され、硬度、靭性、延性、その他の望ましい特性を付与します。多くの金属や合金は、結晶構造に欠陥を作ることで加工硬化させることができます。これらの欠陥は、ハンマー、曲げ、押し出しなどの塑性変形中に生じ、金属が再結晶化しない限り永久に残ります。[ 37 ]一方、一部の合金は熱処理によって特性が変化することも可能です。ほぼすべての金属は、合金を再結晶化させて欠陥を修復する焼きなましによって軟化させることができますが、制御された加熱と冷却によって硬化できる金属はそれほど多くありません。 [ 38 ]アルミニウム、銅、マグネシウム、チタン、ニッケルなどの多くの合金は、何らかの熱処理方法によってある程度強化できますが、鋼鉄ほど熱処理に反応する合金はほとんどありません。[ 39 ]

鋼として知られる鉄炭素合金の卑金属である鉄は、ある温度（炭素含有量に応じて通常 820 °C（1,500 °F）以上）で結晶マトリックスの原子配列（同素体）が変化（変化）します。 [ 40 ]これにより、より小さな炭素原子が鉄結晶の隙間に入り込むことができます。この拡散が起こると、炭素原子は鉄に溶解していると言われ、オーステナイトと呼ばれる特定の単一の均質な結晶相を形成します。鋼をゆっくり冷却すると、炭素は鉄から拡散して、徐々に低温の同素体に戻ります。ゆっくり冷却する間、炭素原子は鉄に溶けにくくなり、溶液から沈殿することを余儀なくされ、純粋な鉄結晶の隙間でより濃縮された鉄炭化物（Fe 3 C）の核形成が起こります。すると鋼は不均質となり、セメンタイト（または炭化物）と呼ばれる鉄炭素相と純粋な鉄フェライトの2つの相から構成される。[ 41 ]このような熱処理によって、かなり柔らかい鋼が生成される。しかし、鋼を急速に冷却すると、炭素原子は拡散して炭化物として析出する時間がなく、鉄の結晶内に閉じ込められる。急速冷却により、拡散のない（マルテンサイト）変態が起こり、炭素原子は溶解物中に閉じ込められる。これにより、結晶構造が低温状態へと変化しようとして鉄の結晶が変形し、非常に硬いが延性が大幅に低下し（より脆くなる）ことになる。[ 42 ]

鋼の高強度は拡散と析出（マルテンサイトの形成）を抑制することで得られるが、熱処理可能な合金のほとんどは析出硬化型合金であり、合金元素の拡散によって強度を得る。加熱して溶解させ、その後急冷すると、これらの合金は拡散なしの変態により通常よりもはるかに柔らかくなるが、時効硬化する。[ 43 ]これらの合金中の溶質は時間とともに析出し、金属間化合物相を形成する。[ 44 ]これは母材との識別が困難である。固溶体が異なる結晶相（炭化物とフェライト）に分離する鋼とは異なり、析出硬化型合金は同一結晶内に異なる相を形成する。これらの金属間化合物合金は結晶構造が均質に見えるが、不均質な挙動を示す傾向があり、硬くなり、やや脆くなる。[ 39 ]

1906年、アルフレッド・ウィルムは析出硬化合金を発見した。アルミニウム、チタン、銅などの特定の合金などの析出硬化合金は熱処理可能な合金で、急冷（急冷）すると軟化し、その後時間の経過とともに硬化する。[ 45 ]ウィルムは機関銃の薬莢に使用するアルミニウム合金を硬化させる方法を探していた。アルミニウム銅合金はある程度熱処理可能であることを知っていたウィルムは、アルミニウム、銅、マグネシウムの3元合金の急冷を試みたものの、当初は結果に満足できなかった。しかし、翌日ウィルムが再テストしたところ、室温で時効処理すると合金の硬度が上昇することを発見し、期待をはるかに上回る結果が得られた。この現象の説明は1919年まで示されませんでしたが、ジュラルミンは最初に使用された「時効硬化」合金の1つであり、最初のツェッペリンの主な建造材料となり、すぐに他の多くの合金が続きました。[ 46 ]これらの合金は、高い強度と軽量さを兼ね備えていることが多いため、現代の航空機の製造を含む多くの産業で広く使用されるようになりました。[ 47 ]

メカニズム

合金形成の異なる原子機構。純金属、置換型、格子間型、およびこれら2つの組み合わせを示す。

溶融金属を他の物質と混合すると、合金が形成されるメカニズムとして、原子交換と格子間原子メカニズムと呼ばれる2つのメカニズムがあります。混合物中の各元素の相対的な大きさが、どちらのメカニズムが起こるかを決定する上で主要な役割を果たします。原子の大きさが比較的近い場合、通常は原子交換が起こり、金属結晶を構成する原子の一部が他の構成原子に置換されます。これは置換型合金と呼ばれます。置換型合金の例としては、銅原子の一部がそれぞれスズまたは亜鉛原子に置換された青銅や真鍮などがあります。[ 48 ]

格子間原子型メカニズムの場合、通常、一方の原子は他方の原子よりもはるかに小さく、卑金属の結晶中で他の原子と置換することができません。その代わりに、より小さな原子は結晶マトリックス中の原子間の格子間サイトに閉じ込められます。これは格子間原子型合金と呼ばれます。鋼は格子間原子型合金の一例であり、非常に小さな炭素原子が鉄マトリックスの格子間に入り込むためです。[ 48 ]

ステンレス鋼は、炭素原子が隙間に収まるが、鉄原子の一部がニッケル原子とクロム原子に置換されているため、格子間型合金と置換型合金の組み合わせの一例である。[ 39 ]

歴史と例

隕石と隕鉄から鍛造された手斧。手斧の頭部に使用された元の隕石のウィドマンシュテッテン模様の痕跡が表面に見られる。

隕石の鉄

人類による合金の使用は、ニッケルと鉄の自然発生的な合金である隕鉄の使用から始まりました。隕鉄は鉄隕石の主成分です。鉄とニッケルを分離する冶金学的プロセスは用いられなかったため、合金はそのまま使用されました。[ 49 ]隕鉄は赤熱によって鍛造され、道具、武器、釘などの物品を作ることができました。多くの文化において、隕鉄は冷間鍛造によってナイフや矢じりに成形されました。それらはしばしば金床として用いられました。隕鉄は非常に希少で貴重であり、古代の人々にとって加工が困難でした。[ 50 ]

青銅と真鍮

青銅の斧 紀元前1100年
14世紀の真鍮製トレイスタンド

鉄は、イヌイットが使用していたグリーンランドの天然鉄鉱床を除いて、通常地球上では鉄鉱石の形で見つかります。[ 51 ]しかし、天然銅は、銀、金、プラチナとともに世界中で発見され、新石器時代から道具、宝石、その他の物を作るのにも使用されていました。銅はこれらの金属の中で最も硬く、最も広く分布していました。古代人にとって最も重要な金属の1つになりました。約1万年前、アナトリア（トルコ）の高地で始まり、人類は鉱石から銅 [52] や錫などの金属を精錬することを習得しました。初期の青銅合金には銅とヒ素が使用されていましたが、ヒ素は金属加工をする人にとって有毒な場合があります。紀元前2500年頃、人々は錫と銅を合金にして青銅を作り始めましたが、青銅はその材料よりもはるかに硬かったです。[ 53 ]しかし、錫は希少で、ほとんどがイギリスで発見されました。

中東では、人々は銅と亜鉛を合金にして真鍮を作り始めました。[ 54 ]古代文明は、温度や加工硬化の様々な条件下での混合物と、それが生み出す硬度、靭性、融点などの様々な特性を考慮に入れ、現代の合金状態図に含まれる多くの情報を開発しました。[ 55 ]例えば、中国の秦王朝（紀元前200年頃）の矢じりは、硬い青銅の矢じりと柔らかい青銅の柄で作られることが多く、使用中に鈍くなったり壊れたりしないように合金を組み合わせていました。[ 56 ]

アマルガム

水銀は数千年にわたり辰砂から精錬されてきました。水銀は金、銀、錫などの多くの金属を溶解し、アマルガム（常温で柔らかいペースト状または液体状の合金）を形成します。アマルガムは紀元前200年頃から中国で、鎧や鏡などの貴金属の金メッキに使用されてきました。古代ローマ人は、鎧の金メッキに水銀錫アマルガムをよく使用していました。アマルガムはペースト状に塗布され、水銀が蒸発するまで加熱され、金、銀、錫が残りました。[ 57 ]水銀は鉱石から金や銀などの貴金属を抽出するために、採掘でよく使用されました。[ 58 ]

貴金属

銀と金の天然合金であるエレクトラムは、硬貨の製造によく使用されました。

多くの古代文明は、純粋に美的目的で金属を合金化しました。古代エジプトやミケーネでは、金は銅と合金化されて赤金が、鉄は鮮やかなバーガンディゴールドが作られることがよくありました。金は銀や他の金属と合金化されて、様々な色の金が作られることもよくありました。これらの金属は、より実用的な目的のために、互いを強化するためにも使用されました。銅は銀に添加されてスターリングシルバーになることがよくあり、食器、銀食器、その他の実用的な品物に使用するための強度を高めました。[ 59 ]

貴金属は、買い手を欺く手段として、価値の低い物質と合金にされることがよくありました。[ 59 ]紀元前250年頃、アルキメデスはシラクサ王から王冠の金の純度を確かめる方法を見つけるよう依頼されました。これがアルキメデスの原理の発見に浴場での有名な「ユーレカ！」の叫びにつながりました。[ 60 ]

ピューター

ピューターという用語は、主にスズからなるさまざまな合金を指します。純粋な金属としては、スズは柔らかすぎるため、ほとんどの実用目的には使用されません。しかし、青銅器時代には、ヨーロッパや地中海地域の多くの地域でスズは希少金属であったため、金よりも高く評価されることがよくありました[要出典]。スズからジュエリー、カトラリー、またはその他の物を作るために、労働者は通常、強度と硬度を高めるために他の金属と合金にしました。これらの金属は通常、鉛、アンチモン、ビスマス、銅でした[ 61 ] 。これらの溶質は、さまざまな量で個別に追加される場合もあれば、一緒に追加される場合もあり、皿、手術器具、燭台、漏斗などの実用的なものから、イヤリングやヘアクリップなどの装飾品まで、さまざまな物が作られました。

ピューターの最古の例は、紀元前1450年頃の古代エジプトに遡ります。ピューターは、フランスからノルウェー、イギリス（古代の錫の大部分が採掘された場所）まで、ヨーロッパ全土から近東に至るまで広く使用されていました。[ 62 ]この合金は中国や極東でも使用され、800年頃には日本にも伝わり、儀式用の器、茶筒、神社で使われる聖杯などの製造に使用されました。[ 63 ]

鉄

中国におけるパドル法（  1637年頃）。ほとんどの合金化プロセスとは対照的に、溶銑鉄を高炉から容器に注ぎ、攪拌して炭素を除去します。炭素は空気中に拡散して二酸化炭素となり、軟鋼から錬鉄へと変化します。

鉄の製錬の歴史は古く、紀元前1800年頃にアナトリアで始まった。この製錬法はブルーム法と呼ばれ、非常に柔らかく延性のある 錬鉄を生産した。紀元前800年までに製鉄技術はヨーロッパに広がり、紀元後700年頃に日本にも伝わった。銑鉄は鉄と炭素の非常に硬いが脆い合金で、紀元前1200年には中国で生産されていたが、ヨーロッパには中世になってから伝わった。銑鉄は鉄よりも融点が低く、鋳鉄の製造に用いられた。しかし、これらの金属は紀元前300年頃にるつぼ鋼が導入されるまで、実用化されることはほとんどなかった。[ 55 ]

これらの鋼は品質が悪く、1世紀頃に導入されたパターン溶接は、合金の極端な特性を積層することでバランスを取り、より強靭な金属を作り出すことを目指したものでした。西暦700年頃、日本人は粘土フラックスを用いてスラグや不純物を取り除きながら、鋳鉄と鋼を交互に重ねて重ね、刀剣の強度を高め始めました。この日本の刀鍛冶の技法は、古代世界で最も純度の高い鋼合金の一つを生み出しました。[ 55 ]

鉄の使用は紀元前1200年頃から広まり始めましたが、これは主に錫の交易路の断絶によるものです。鉄は青銅よりもはるかに柔らかい金属でした。しかし、微量の鋼（鉄と約1%の炭素の合金）は、常に塊鉄製造工程の副産物として生成されていました。熱処理によって鋼の硬度を変えることができることは紀元前1100年から知られており、この希少な素材は道具や武器の製造に重宝されていました。[ 64 ]

古代人は鉄を完全に溶かすのに十分な温度を作り出すことができなかったため、中世にブリスター鋼が導入されるまで、まともな量の鋼が生産されることはなかった。この方法では、錬鉄を木炭で長時間加熱することで炭素を導入したが、この方法では炭素の吸収が非常に遅いため、浸透が深くなく、合金は均質ではなかった。1740年、ベンジャミン・ハンツマンは炭素含有量を均一にするためにブリスター鋼をるつぼで溶解し始め、工具鋼の大量生産のための最初のプロセスを生み出した。ハンツマンのプロセスは1900年代初頭まで工具鋼の製造に使用されていた。[ 64 ]

中世ヨーロッパに高炉が導入されたことで、錬鉄よりもはるかに大量の銑鉄を生産できるようになりました。銑鉄は溶解できるため、人々は溶融銑鉄中の炭素を還元して鋼鉄を製造するプロセスの開発に着手しました。パドリングは1世紀から中国で行われており、1700年代にヨーロッパに導入されました。パドリングでは、溶融銑鉄を空気にさらしながら攪拌し、酸化によって炭素を除去します。1858年、ヘンリー・ベッセマーは溶融銑鉄に熱風を吹き込んで炭素含有量を減らす製鋼プロセスを発明しました。ベッセマー法は、世界初の大規模な鋼鉄製造につながりました。[ 64 ]

鋼は鉄と炭素の合金ですが、合金鋼という用語は通常、バナジウム、モリブデン、コバルトなど、ベース鋼の特性を変えるのに十分な量の他の元素を含む鋼のみを指します。古代、鋼が主に道具や武器に使用されていたとき以来、金属の製造方法と加工方法は、しばしば厳重に守られた秘密でした。啓蒙時代を過ぎても、鉄鋼業界は非常に競争が激しく、製造業者は方法を漏らす​​ことを恐れて、材料を科学的に分析する試みに抵抗し、工程の機密を保つために多大な努力を払いました。たとえば、イギリスの鉄鋼生産の中心地であるシェフィールドの人々は、産業スパイを阻止するために訪問者や観光客の町への立ち入りを日常的に禁止していたことで知られています。そのため、1860年まで鋼に関する冶金学的情報はほとんど存在しなかった。この理解不足のため、1930年から1970年までの数十年間（主にウィリアム・チャンドラー・ロバーツ・オースティン、アドルフ・マルテンス、エドガー・ベインなどの科学者の研究による）まで、鋼は一般的に合金とはみなされていなかったため、「合金鋼」は三元系および四元系の鋼合金の一般的な用語となった。[ 65 ] [ 66 ]

ベンジャミン・ハンツマンは1740年にるつぼ鋼を開発した後、マンガンなどの元素を添加する実験を始めました（シュピーゲライゼンと呼ばれる高マンガン銑鉄の形で）。これはリンや酸素などの不純物を取り除くのに役立ちます。この方法はベッセマーに採用され、現代の鋼にも使われています（ただし、炭素鋼と見なされるほど低い濃度です）。[ 64 ]その後、多くの人がさまざまな鋼の合金の実験を始めましたが、あまり成功しませんでした。しかし、1882年に鋼冶金学の先駆者であるロバート・ハドフィールドが興味を持ち、約12％のマンガンを含む鋼合金を製造しました。マンガロイと呼ばれるこの合金は極めて硬く、靭性が高く、商業的に実現可能な最初の合金鋼となりました。[ 67 ]その後、彼はシリコン鋼を作成し、他の鋼合金の可能性の探求を開始しました。[ 68 ]

ロバート・フォレスター・マシェットは、鋼にタングステンを加えることで、高温でも硬度を失わない非常に硬い刃先を作ることができることを発見した。「R・マシェットの特殊鋼」（RMS）は、最初の高速度鋼となった。[ 68 ]マシェットの鋼は、すぐにテイラーとホワイトが1900年に開発した炭化タングステン鋼に取って代わられた。彼らはタングステン含有量を2倍にし、少量のクロムとバナジウムを添加して、旋盤や工作機械に使用するための優れた鋼を製造した。1903年、ライト兄弟はクロムニッケル鋼を使って飛行機エンジンのクランクシャフトを製造し、1908年にはヘンリー・フォードが、強度と高温耐性に優れたバナジウム鋼をモデルTフォードのクランクシャフトやバルブなどの部品に使い始めた。[ 46 ] 1912年、ドイツのクルップ製鉄所は21%のクロムと7%のニッケルを添加した錆びにくい鋼を開発し、最初のステンレス鋼を生産しました。[ 68 ]

現代の合金の典型的な例として、304グレードのステンレス鋼が挙げられます。これは、調理器具、フライパン、ナイフ、フォークなどに広く使用されています。18/8とも呼ばれるこの合金は、鉄74% 、クロム18%、ニッケル8%を主成分としています。クロムとニッケルの合金元素は、鉄の主要成分である鉄に強度と硬度を与えますが、主な役割は錆や腐食に対する耐性を高めることです。

その他

反応性が高いため、ほとんどの金属は19世紀まで発見されませんでした。1807年、ハンフリー・デービーは電気アークを用いてボーキサイトからアルミニウムを抽出する方法を提案しました。彼の試みは失敗に終わりましたが、1855年までに純アルミニウムが初めて市場に出回りました。しかし、抽出冶金学はまだ黎明期にあったため、ほとんどのアルミニウム抽出プロセスでは、鉱石に含まれる他の元素（その中で最も多く含まれていたのは銅）が混入した意図しない合金が生成されました。これらのアルミニウムと銅の合金（当時は「アルミニウム青銅」と呼ばれていました）は純アルミニウムよりも先に存在し、柔らかい純金属よりも高い強度と硬度を持ち、またある程度は熱処理可能であることが分かりました。[ 69 ]しかし、これらの合金は柔らかく、硬化性が限られていたため、実用化されることはほとんどなく、ライト兄弟が1903年にアルミニウム合金を使って最初の飛行機エンジンを製作するまでは、むしろ目新しいものでした。 [ 46 ] 1865年から1910年の間に、クロム、バナジウム、タングステン、イリジウム、コバルト、モリブデンなど、他の多くの金属を抽出する方法が発見され、さまざまな合金が開発されました。[ 70 ]

1910年以前は、研究は主に個人が自身の研究室で試行錯誤するものでした。しかし、航空機産業と自動車産業が成長するにつれ、1910年以降、合金の研究は産業的な取り組みとなり、自動車のピストンやホイール用の新しいマグネシウム合金、レバーやノブ用のポットメタルが開発され、機体や航空機の外板用に開発されたアルミニウム合金が使用されるようになりました。[ 46 ]オハイオ州トレドのドーラー・ダイカスト社は、高張力耐食青銅合金であるブラスティルの製造で知られていました。 [ 71 ] [ 72 ]

参照

参考文献

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参考文献

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